Сиенский кафедральный собор, расположенный на Соборной площади, возвышается не только над площадью, но и над всем городом. На этом месте первоначально был античный храм, посвященный Минерве, затем римская крепость с четырьмя башнями, одна из них впоследствии была преобразована в колокольню. До 913 года в крепости размещалась резиденция епископа, включавшая в себя церковь, обращенную на восток, то есть на нынешний баптистерий. Эта церковь стала частью нового романского собора, строительство которого началось в середине 12 века. Новый фасад собора был обращен на юг.
Дуомо был освящен 18 ноября 1179 года, но основные его части были завершены лишь в 1215 году. В 1259-1264 годах был возведен купол.
В 1317 году под руководством Камаино ди Крешентино были проведены работы по расширению здания собора. Но даже несмотря на это расширение, Дуомо не отвечал в полной мере всем требованиям процветающего города. Кроме того, сиенцы стремились не отстать от соседней Флоренции, где в эти годы шло строительство грандиозного собора Санта-Мария-дель-Фьоре. Так появился амбициозный проект создания гигантского храма, призванного стать самым большим собором в Европе. В 1339 году под руководством Ландо ди Пьетро начались работы по созданию так называемого «Нового Дуомо», в котором существующий собор должен был стать лишь трансептом, а главный фасад вновь был бы ориентирован на юг и значительно выдвинут вперед по отношению к старому зданию.
В 1357 году из-за тяжелой экономической ситуации, в которой оказался город после знаменитой чумы 1348 года, было решено прекратить работы. В результате на площади Якопо делла Кверча до сих пор остались следы этой грандиозной задумки: часть стен, задействованных впоследствии при строительстве музея произведений Дуомо, и высокий незавершенный фасад, с которого сейчас можно полюбоваться великолепной панорамой города.
Спустя несколько лет было решено завершить отделку старого кафедрального собора. В 1376 году Джованни ди Чекко, вдохновленный собором в Орвието, декорирует верхнюю часть фасада. В 1382 году поднимаются своды центрального нефа, и эту дату принято считать годом завершения строительства Дуомо.
Фасад собора, облицованный полихромным мрамором и покрытый богатым скульптурным декором, являет собой гармоничное сочетание разных стилей. Нижний ярус с тремя порталами выполнен Джованни Пизано в романско-готических традициях, верхняя часть фасада работы Джованни ди Чекко относится к поздней готике, а мозаики на трех фронтонах были созданы уже в 19 столетии. Три глубоких профилированных портала, увенчанных вимпергами, напоминают памятники французской готики. Изящные галереи с аркадами и резные пинакли практически дематериализуют фасад, становящийся фоном для пышного скульптурного декора. Огромная роза, расположенная над центральным порталом, обрамлена скульптурами апостолов и пророков. Следует отметить, что часть скульптур работы Джованни Пизано была перенесена в музей произведений Дуомо.
Внутреннее убранство собора вторит его внешней отделке в богатстве многоцветного мрамора и игре светотени. Интерьер Дуомо, в плане представляющий латинский крест, членен на три просторных продольных нефа; трансепт собора двухнефный. Над средокрестием на шестиугольном основании, украшенном шестью большими позолоченными статуями святых, возвышается купол, вверху становящийся двенадцатигранным. В конце 15 века купол был расписан 42 изображениями иерархов и пророков. Благодаря голубым сводам с золотыми звездами, возведенным в 14 веке, внешняя галерея купола выглядит слегка утопленной. Между арками и сводами центрального нефа идет карниз, поддерживаемый 172 гипсовыми бюстами первых понтификов, под ними расположены бюсты 36 императоров (16 век).
В 1532 году Бальдассаре Петруцци высекает из мрамора главный алтарь, который венчает бронзовая дарохранительница, созданная мастером Веккьетта в 1467-1472 годах. Огромный красочный витраж в апсиде принадлежит Дуччо ди Буонинсенья.
В левом нефе собора вплоть до трансепта расположена библиотека Пикколомини. Она была построена в 1492 году по поручению сиенского архиепископа кардинала Франческо Пикколомини Тодескини (впоследствии ставшего папой Пием III) для хранения богатейшего книжного фонда, собранного его дядей, папой Пием II. Однако книги так никогда и не были перенесены в библиотеку, которая использовалась священнослужителями для иных нужд. После смерти папы Пия III Пинтуриккьо расписал библиотеку фресками, иллюстрирующими эпизоды из жизни папы Пия II. В библиотеке хранится множество ценных иллюминированных антифонариев и мраморная группа «Три грации».
Рядом с входом в библиотеку Пикколомини находится грандиозный алтарь, созданный в 1481-1485 годах Андреа Бреньо по поручению Франческо Пикколомини. Алтарь посвящался папе Пию II, и в то же время был призван прославлять все семейство Пикколомини, игравшее важную роль в политической и культурной жизни Сиены. Внушительный алтарь состоит из трех рядов ниш. В нижнем ярусе установлены четыре статуи работы Микеланджело (святой Петр и святой Пий справа и святой Григорий и святой Павел слева), созданные им в 1501-1504 годах. В верхнем ярусе алтаря представлена скульптура «Мадонна с младенцем» (1397-1400), ранняя работа Якопо делла Кверча. В алтарной нише находится полотно Паоло ди Джованни Феи 1385 года, на котором также изображена Мадонна с младенцем. Верхняя левая ниша алтаря пуста, поскольку Микеланджело так и не завершил предназначенную для нее статую святого Матфея.
В левом нефе расположена также капелла Киджи («Мадонна дель Вото»), созданная в 1661 году по проекту Бернини по заказу папы Александра VII, родившегося и выросшего в Сиене.
В Сиенском соборе находится подлинный шедевр готической скульптуры – кафедра работы Николы и Джованни Пизано (1266-1268). Восьмиугольную в плане кафедру украшают изысканные рельефы и скульптуры. Четыре из восьми угловых колонн опираются на фигуры львов, центральная колонна стоит на атлантах. Колонны соединены полукруглыми трехлопастными арками. Над капителями установлены мраморные фигуры, символизирующие добродетели, и выделяющаяся большим размером фигура Христа. Рельефы представляют следующие сюжеты: «Рождество», «Поклонение волхвов», «Введение во храм», «Распятие» (в создании принимал участие Арнольфо ди Камбио), «Избиение младенцев» (Джованни Пизано) и «Страшный суд» (Джованни Пизано).
Среди надгробных плит, находящихся на полу собора, выделяется бронзовая плита епископа Джованни Печчи, выполненная Донателло в 1426 году. Кроме того, Донателло принадлежит скульптура Иоанна Крестителя 1457 года, находящаяся в одноименной капелле.
Особого внимания заслуживает мраморный пол собора. 56 сюжетов, выполненных в технике инкрустации, создавались сиенскими мастерами с 1369 по 1547 годы. Большая группа изображений посвящена почитавшимся в классической античности сивиллам - девам, обладающим божественным даром прорицания. Среди сюжетов из Священного Писания стоит отметить следующие сцены: «Жертвоприношение Иеффая», «Избиение младенцев», «Моисей ударяет по скале», «Царь Давид псалмопевец», «Жертвоприношение Авраама». Кроме того, здесь присутствует изображение волчицы, вскармливающей Ромула и Рема, напоминающее о мифологической связи между основанием Сиены и основанием Рима.
Обычно из соображений сохранности часть пола покрыта дощатым настилом.
